JPH0982599A

JPH0982599A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0982599A
Application number: JP7232274A
Authority: JP
Inventors: Takechika Nishi; 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1995-09-11
Publication date: 1997-03-28
Anticipated expiration: 2015-09-11
Also published as: JP3552221B2

Abstract

(57)【要約】【課題】投影光学系の周囲の大気圧等の環境変化、又
は露光用照明光の吸収等によって悪化する投影光学系の
非線形倍率誤差、又は像面湾曲等の結像特性を補正す
る。【解決手段】投影光学系ＰＬ１のレンズエレメントを
石英からなるレンズエレメント２５〜３４，３５Ａ，３
８Ａ、及び蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３７
Ａより構成し、後者のレンズエレメント３６Ａ，３７Ａ
の温度を温度制御装置１３ｂによって制御して結像特性
を補正する。レンズエレメント３６Ａ，３７Ａの端部に
温度センサ５４Ｂ，５４Ａを被着し、温度センサ５４
Ｂ，５４Ａを介して計測された温度を主制御装置１８に
供給し、主制御装置１８ではその計測された温度が所定
の目標温度に達したときにウエハＷへの露光動作を開始
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁
気ヘッド等を製造するためのリソグラフィ工程で使用さ
れ、マスクパターンを投影光学系を介して感光基板上に
転写する投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子等を製造す
るための投影露光装置は、マスクとしてのレチクルと、
感光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）の各
ショット領域とを投影光学系を介して所定の位置関係に
位置決めし、一括で各ショット領域の全体にレチクルの
パターン像を露光するステップ・アンド・リピート方式
と、レチクルとウエハの各ショット領域とを投影光学系
に対して相対走査することにより、各ショット領域にレ
チクルのパターン像を逐次露光していくステップ・アン
ド・スキャン方式とに大別される。これら両方式は、レ
チクルのパターンを投影光学系を介して投影する点では
共通であり、ウエハ上にレチクルのパターンの像を如何
に正確に投影できるかが重要となる。

【０００３】一般に、投影光学系を設計する際には所定
の条件下で光学的諸収差がほぼ０になるように設計され
るが、投影露光を行う際の環境が変化して投影光学系近
傍の大気圧や温度が変化するか、又は露光用照明光の照
射による熱吸収等があると、投影光学系を構成するレン
ズ間の気体の屈折率変化、レンズ膨張、レンズの屈折率
変化、及びレンズ鏡筒の膨張等が発生する。このため、
レチクルのパターンをウエハ上に投影するときに、その
投影像が投影光学系の光軸に垂直な方向にずれる現象で
あるディストーションが発生してしまう。このディスト
ーションの内の線形倍率誤差（像高に対して倍率が１次
関数的に変化する成分）を補正する手段として、従来よ
り投影光学系内の一部のレンズを駆動したり、一部のレ
ンズ間の気体圧力を制御したりするレンズ制御システム
が使用されている。

【０００４】また、そのディストーションと共に、その
投影像の結像面（ベストフォーカス面）の投影光学系の
光軸方向の位置（フォーカス位置）がずれて、ウエハの
表面がその結像面から外れてしまうデフォーカスも発生
していた。このデフォーカスの内の線形的なデフォーカ
ス（像高に対してデフォーカス量が１次関数的に変化す
る成分）を補正する手段として、従来よりウエハのフォ
ーカス位置を結像面の方向に制御するオートフォーカス
機構、及びウエハの傾斜角を結像面に合わせ込むように
制御するオートレベリング機構が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の投影
露光装置においては、環境変化等によって発生する投影
像のディストーションの内の、特に非線形倍率誤差（高
次倍率誤差）に対する補正を行うことができないという
不都合があった。また、環境変化等によって発生する投
影光学系の結像面に対するデフォーカスの内の非線形的
なデフォーカス、特に像面湾曲に対する補正を行うこと
ができないという不都合もあった。この場合、非線形倍
率誤差は投影光学系の光軸に垂直な平面上での投影像の
非線形的な横ずれ量であり、非線形的なデフォーカスは
投影光学系の光軸方向での結像面の非線形的なずれ量で
あるため、両者を合わせて非線形誤差と呼ぶこともでき
る。

【０００６】例えば、非線形倍率誤差が、ステップ・ア
ンド・リピート方式（一括露光方式）の投影露光装置で
発生すると、図１６（ａ）に示すように、本来の投影像
６６、及び６７が像高によって非線形に変化して投影像
６６Ａ，６７Ａのようになり、２層間での重ね合わせ精
度が悪化する。一方、その非線形倍率誤差が、ステップ
・アンド・スキャン方式（走査露光方式）の投影露光装
置で発生すると、図１６（ｂ）に示すように、本来の投
影像６６、及び６７が像高によって非線形に変化して投
影像６６Ｂ，６７Ｂのようになり、同様に２層間での重
ね合わせ精度が悪化する。また、図１６（ｂ）におい
て、走査露光時のウエハの走査方向は矢印で示すＹ方向
となっており、走査方向には平均化効果によって投影像
のディストーションは発生していないものの、その平均
化効果によって像劣化が生じている。また、非走査方向
（Ｘ方向）には、一括露光方式と同様に像高に応じた倍
率誤差が発生しているのが確認できる。

【０００７】更に、投影像の像面湾曲が、ステップ・ア
ンド・リピート方式の投影露光装置で発生すると、図１
７（ａ）に示すように、本来の投影像の結像面７２のフ
ォーカス位置が像高によって非線形に変化して結像面７
３Ａのようになり、全体としての焦点深度の幅が狭くな
る。一方、そのような像面湾曲が、ステップ・アンド・
スキャン方式の投影露光装置で発生すると、図１７
（ｂ）で示すように本来の投影像の結像面７２に対し
て、走査方向であるＹ方向には平均化効果によってデフ
ォーカスは発生していないものの、その平均化効果によ
って像劣化が生じている。また、非走査方向（Ｘ方向）
には、一括露光方式と同様に像高に応じたデフォーカス
が発生して、走査露光後の実質的な結像面は結像面７３
Ｂとなっているため、結果として所謂「かまぼこ型」の
像面湾曲が発生していることが確認できる。

【０００８】更に近年、レチクルサイズが拡大してきて
おり、大きなレチクルを使用する場合にそのレチクルの
撓みによって、投影像の像面湾曲が拡大してしまうとい
う不都合も生じている。本発明は斯かる点に鑑み、投影
光学系の周囲の大気圧等の環境の変化、又は露光用照明
光の吸収等によって悪化する投影光学系の非線形倍率誤
差（高次倍率誤差）又は像面湾曲等の非線形誤差のよう
な結像特性を補正できる投影露光装置を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、例えば図１、及び図２に示すように、マスクパタ
ーン（Ｒ）を投影光学系を介して感光基板（Ｗ）上に投
影する投影露光装置において、その投影光学系（ＰＬ
１）は、互いに屈折率に関する温度特性の異なる硝材よ
りなる複数組の光学部材（２５〜３４，３５Ａ，３８Ａ
と３６Ａ，３７Ａ）を有し、それら複数組の光学部材中
の少なくとも１つの光学部材（３６Ａ，３７Ａ）の温度
を、投影光学系（ＰＬ１）の結像特性に応じて定まる可
変の目標温度に設定する温度制御手段（１３）と、この
温度制御手段による制御対象の光学部材（３６Ａ，３７
Ａ）の温度がその目標温度に対して所定の許容範囲内に
収まった後に感光基板（Ｗ）への露光動作を開始する露
光制御手段（１８）と、を設けたものである。

【００１０】この場合、温度制御手段（１３）による制
御対象の光学部材（３６Ａ，３７Ａ）の温度を計測する
温度センサ（５４Ａ，５４Ｂ）を設け、露光制御手段
（１８）は、温度センサ（５４Ａ，５４Ｂ）の計測値と
その目標温度とを比較して露光動作を開始するか否かを
判定することが望ましい。また、温度制御手段（１３）
による制御対象の光学部材の温度が所定の温度に達する
までの時間を記憶する記憶手段を設け、露光制御手段
（１８）は、その記憶手段に記憶されている時間に応じ
た時間が経過した後に感光基板（Ｗ）への露光動作を開
始するようにしてもよい。

【００１１】また、温度制御手段（１３）によって制御
対象とする光学部材の温度をその目標温度に設定する際
に、例えば図１３（ｂ）に示すように、温度制御手段
（１３）による中間的な設定温度（制御温度Ｔ_ij）をそ
の目標温度（Ｔ₂）に対してオーバーシュート又はアン
ダーシュートさせるようにしてもよい。斯かる本発明に
よれば、例えばＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎ
ｍ）やＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）のよ
うな遠紫外域付近の光を露光光として用いる場合、屈折
率に関する温度特性の異なる複数の硝材としては、石
英、及び蛍石等が挙げられる。この場合、石英は温度が
上昇しても膨張係数が小さいため膨張はしないが、屈折
率が大きくなる特性を持っている。従って、図６（ｂ）
に示すように、石英の正レンズ４９Ｂでは温度が上昇す
ると、結像面ＦＢが正レンズ４９Ｂに近付く方向に変位
する。一方、蛍石は温度の上昇で膨張し、屈折率は小さ
くなる特性を持っている。そのため、図６（ａ）に示す
ように、蛍石の正レンズ４９Ａでは温度が上昇すると、
結像面ＦＢは正レンズ４９Ａから遠ざかる方向に変位す
る。なお、上述の硝材の屈折率の温度特性は、単にその
屈折率自体の温度特性のみならず、その硝材からなるレ
ンズの熱膨張及び鏡筒の伸縮をも考慮して温度が変化し
たときに結像面がどの方向に変化するかによって定めら
れる特性である。

【００１２】そこで、本発明ではそのような互いに屈折
率に関する温度特性の異なる複数の硝材よりなる２組の
光学部材中の少なくとも１つの温度を積極的に制御する
ことで、投影光学系の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）
や像面湾曲等の非線形誤差のような結像特性を補正する
ものである。例えば第１の硝材として石英を使用し、第
２の硝材として蛍石を使用し、その第１の硝材で投影光
学系（ＰＬ１）の大部分のレンズを構成した場合、投影
光学系の結像特性の内のディストーションについて考え
ると、或る条件下でのその第１の硝材のレンズに依るデ
ィストーションは、図７（ａ）の曲線６１で示すような
非線形倍率誤差となる。これに対して、その第２の硝材
のレンズに依るディストーションは、図７（ｂ）の曲線
６２Ａで示すように、曲線６１と逆の傾向の非線形倍率
誤差に直線６２Ｂで示す線形倍率誤差のオフセット分を
加算した傾向を有する。そこで、環境変化や露光用照明
光の吸収等に応じて、例えばその第２の硝材のレンズの
温度を制御して、曲線６１の非線形倍率誤差を曲線６２
Ａの非線形倍率誤差で相殺することにより、投影光学系
（ＰＬ１）の非線形倍率誤差を小さくできる。

【００１３】但し、そのままでは、線形倍率誤差が残存
するため、このように残存する誤差を気体圧力制御装
置、又はレンズ駆動機構等の線形倍率制御手段（１２）
を介して低減させることにより、図８に示すように、投
影光学系（ＰＬ１）のディストーションがほぼ完全に除
去される。次に、投影光学系の結像面のフォーカス位置
の分布について考えると、或る条件下でのその第１の硝
材のレンズに依るフォーカス位置Ｚ_Fの像高Ｈに応じた
分布の傾向は、図９（ａ）の曲線６１Ａで示すように下
側に凸の像面湾曲となる。これに対して、その第２の硝
材のレンズに依る結像面のフォーカス位置の分布は、図
９（ｂ）の曲線６２Ｃで示すように、曲線６１Ａと逆の
傾向の上側に凸の像面湾曲に、全部の像高Ｈで共通のオ
フセット分を加算した傾向を有する。

【００１４】そこで、環境変化や露光用照明光の吸収等
に応じて、例えばその第２の硝材のレンズの温度を制御
して、曲線６１Ａの像面湾曲を曲線６２Ｃの像面湾曲で
相殺することにより、投影光学系（ＰＬ１）の非線形的
なデフォーカスである像面湾曲を小さくできる。また、
そのままでは結像面のフォーカス位置の分布には、図９
（ｃ）の直線６３Ａで示すように、一定のオフセットが
残存している。しかしながら、そのようなフォーカス位
置のオフセットは、例えば基板（Ｗ）の高さを制御する
ステージ等の焦点位置制御手段（２）を介して基板
（Ｗ）の高さを調整することによってほぼ完全に除去で
きる。これによって、基板（Ｗ）の表面を基準とした、
結像面のフォーカス位置Ｚ_Fの分布は、図１０の曲線６
５Ａに示すようになって、デフォーカスはほぼ０とな
る。このように、投影光学系の光軸に垂直な平面上、及
びその光軸方向での非線形誤差が良好に補正される。

【００１５】上述のように所定の光学部材（３６Ａ，３
７Ａ）の温度を制御する場合、その光学部材の温度が指
定された目標温度になるまでには所定の時定数による遅
れがある。例えば図１３（ａ）は、温度Ｔ₁の光学部材
の温度の目標値をＴ₂に変更する場合を示し、この図１
３（ａ）において、時点ｔ₁から例えばその光学部材の
周囲の気体の設定温度（制御温度）Ｔ_ijを曲線５９に沿
って次第に目標温度Ｔ ₂に近づけても、その光学部材の
温度ＴＦは曲線５８に沿って遅れて変化する。そのた
め、その気体の温度Ｔ_ijが目標温度Ｔ₂に達してから暫
く経過した時点ｔ ₂に至って初めて、その光学部材の温
度ＴＦはその目標温度Ｔ₂に対する許容範囲（±ΔＴの
範囲内）に収まるようになる。その時点ｔ₂より前では
結像特性の補正が高精度に行われていないため、本発明
ではその光学部材の温度ＴＦがその目標温度Ｔ₂に対す
る許容範囲（±ΔＴの範囲内）に収まる時点ｔ₂以降に
露光を開始するようにしている。

【００１６】この場合、その光学部材の温度ＴＦがその
目標温度Ｔ₂に対する許容範囲（±ΔＴの範囲内）に収
まったかどうかを判定する手法としては、例えば予めそ
の光学部材の温度の変化速度を求めておいて、計算で求
められた時間だけ待つ手法と、その光学部材に温度セン
サを取り付けて実際にその光学部材の温度を計測する手
法とがある。また、その光学部材の温度ＴＦを目標温度
Ｔ₂に短時間で近づけるためには、図１３（ｂ）に示す
ように、例えばその光学部材の周囲の気体の設定温度Ｔ
_ijを曲線５９Ａに沿って目標温度Ｔ₂よりオーバーシュ
ート（目標温度が低い場合にはアンダーシュート）させ
ればよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による投影露光装置
の第１の実施の形態につき図１、図２、図６〜図１５を
参照して説明する。本例は露光用の照明光としてエキシ
マレーザ光を使用するステップ・アンド・スキャン方式
の投影露光装置に本発明を適用したものである。但し、
本例で使用する投影光学系は、ステップ・アンド・リピ
ート方式（一括露光方式）の投影露光装置でも使用でき
るものである。

【００１８】図１は、本例の投影露光装置を示し、この
図１において、エキシマレーザ光源１６からパルス発光
されたレーザビームよりなる照明光ＩＬは、ミラー１５
で偏向されて照明光学系１４に入射する。エキシマレー
ザ光源１６としては、ＫｒＦエキシマレーザ光源（発振
波長：２４８ｎｍ）、又はＡｒＦエキシマレーザ光源
（発振波長：１９３ｎｍ）等が使用できる。また、露光
用の光源としては、ＹＡＧレーザの高調波発生装置、金
属蒸気レーザ光源、又は水銀ランプ等も使用できる。

【００１９】照明光学系１４は、ビームエクスパンダ、
減光システム、フライアイレンズ、リレーレンズ、視野
絞り（レチクルブラインド）、走査前後の不要な露光を
避けるための可動ブレード、及びコンデンサーレンズ等
から構成され、照明光学系１４によって均一な照度分布
に整形された照明光ＩＬが、レチクルＲのパターン形成
面（下面）の所定形状の照明領域を照明する。この場
合、装置全体の動作を統轄制御する主制御装置１８が、
照明制御系１７を介してエキシマレーザ光源１６のパル
ス発光のタイミング、照明光学系１４内の減光システム
での減光率の制御等を行う。その照明領域内のレチクル
Ｒのパターンを透過した照明光は、投影光学系ＰＬ１を
介してフォトレジストが塗布されたウエハＷ上に投影さ
れ、そのパターンを倍率β（βは例えば１／４、又は１
／５等）で縮小した投影像がウエハＷ上に転写される。
ここで、投影光学系ＰＬ１の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取
り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＹ軸を取
り、図１の紙面に垂直にＸ軸を取る。

【００２０】レチクルＲは、レチクルステージ６上に保
持され、レチクルステージ６はエアベアリングを介して
レチクル支持台５上にＹ方向に移動自在に載置されてい
る。レチクルステージ６の上端に固定された移動鏡７、
及びレチクル支持台５上のレーザ干渉計８により計測さ
れたレチクルステージ６のＹ座標がステージ制御系１１
に供給される。ステージ制御系１１は、主制御装置１８
からの指令に従ってレチクルステージ６の位置、及び移
動速度を制御する。

【００２１】一方、ウエハＷはウエハステージ２上に保
持され、ウエハステージ２はＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、
及び回転方向等にウエハＷの位置決めを行うと共に、Ｙ
方向にウエハＷの走査を行う。ウエハステージ２の上端
に移動鏡９が固定され、移動鏡９及び外部のレーザ干渉
計１０によりウエハステージ２のＸ座標、及びＹ座標が
常時計測され、計測結果がステージ制御系１１に供給さ
れている。ステージ制御系１１は主制御装置１８からの
指令に従って、ウエハステージ２のステッピング動作、
及びレチクルステージ６と同期した走査動作の制御を行
う。即ち、走査露光時には、上述の投影光学系ＰＬ１の
レチクル側からウエハ側への倍率βを用いて、ステージ
制御系１１の制御のもとで、投影光学系ＰＬ１に対して
レチクルステージ６が−Ｙ方向（又は＋Ｙ方向）に速度
Ｖ_Rで走査されるのと同期して、ウエハステージ２が＋
Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度Ｖ_W(＝β・Ｖ_R)で走査さ
れる。これにより、レチクルＲのパターンが逐次ウエハ
Ｗ上の各ショット領域に転写される。

【００２２】また、ウエハステージ２上のウエハＷの近
傍には、結像特性計測用センサ３が固定されている。結
像特性計測用センサ３は、図１１（ｂ）に示すように、
ウエハＷの表面と同じ高さに設定された表面に矩形の開
口部５０ａが設けられた遮光膜５０が被着されたガラス
基板５１と、その開口部５０ａを通過した露光用の照明
光を光電変換する光電変換素子５２と、この光電変換素
子５２からの検出信号Ｓ１を処理する信号処理部５３と
を有し、この信号処理部５３の処理結果が図１の主制御
装置１８に供給されている。本例では後述のように、ウ
エハステージ２を駆動することにより、レチクルＲのパ
ターンの投影像を結像特性計測用センサ３の開口部５０
ａで走査し、その際に光電変換素子５２から出力される
検出信号Ｓ１より信号処理部５３が投影光学系ＰＬ１の
非線形倍率誤差や像面湾曲を求めるようになっている。

【００２３】次に、図１において、本例の投影光学系Ｐ
Ｌ１を構成する複数枚のレンズエレメントの内の大部分
は石英よりなり、残りの一部のレンズエレメントが蛍石
より形成され、その石英からなる所定の１対のレンズエ
レメントの間に形成された所定の気体室の気体圧力を制
御するためのレンズ制御装置１２が設けられている。大
気圧変化、若しくは温度変化等の環境変化、又は露光用
照明光の投影光学系ＰＬ１に対する照射量の履歴等に応
じて、投影光学系ＰＬ１の倍率、結像面の平均面の中央
でのフォーカス位置（ベストフォーカス位置）、像面湾
曲等の結像特性が変化した場合に、主制御装置１８から
の指令に基づいてそれらの結像特性をレンズ制御装置１
２が補正するようになっている。なお、レンズ制御装置
１２としては、圧力制御装置の他に、例えば石英若しく
は蛍石からなる所定のレンズエレメントの光軸ＡＸ方向
の位置や傾斜角を制御するレンズ位置制御装置、又はレ
チクルＲの光軸ＡＸ方向の位置や傾斜角を制御するレチ
クル位置制御装置等を使用してもよい。

【００２４】更に、投影光学系ＰＬ１には、一部の蛍石
よりなる１枚又は複数枚のレンズエレメントの温度を制
御するためのレンズ温度制御装置１３が接続されてい
る。本例では、環境変化、又は照射量の履歴等に応じ
て、投影光学系ＰＬ１の非線形倍率誤差（高次倍率誤
差）、像面湾曲、又はそれらの両方が悪化した場合に、
主制御装置１８からの指令に基づいてレンズ温度制御装
置１３がそれらの結像特性を補正するようになってい
る。また、その非線形倍率誤差、像面湾曲、又はそれら
の両方の補正によって、投影光学系ＰＬ１の線形倍率誤
差が悪化したときには、その線形倍率誤差をレンズ制御
装置１２が補正するようになっている。

【００２５】また、本例の投影露光装置には、投影光学
系ＰＬ１による露光領域内の複数の計測点でウエハＷ上
にスポット光を斜めに投射する投射光学系６８と、それ
らの計測点からの反射光を受光してそれぞれスポット光
を再結像し、これらの再結像されたスポット光の横ずれ
量に対応した焦点信号を出力する受光光学系６９と、か
らなる焦点位置検出系が設けられている。その受光光学
系６９からの複数の焦点信号が主制御装置１８に供給さ
れている。この場合、ウエハＷの表面の投影光学系ＰＬ
１の光軸方向（Ｚ方向）の位置（フォーカス位置）が変
化すると、対応する焦点信号のレベルが変化することか
ら主制御装置１８ではウエハＷのフォーカス位置をモニ
タする。そして、主制御装置１８ではステージ制御系１
１を介してウエハステージ２内のＺ方向への駆動機構の
動作を制御することにより、ウエハＷの露光対象のショ
ット領域の平均面の中央でのフォーカス位置を、予め求
めてある投影光学系ＰＬ１の結像面の平均面の中央での
フォーカス位置に維持させる。

【００２６】また、本例では投影光学系ＰＬ１の像面湾
曲を補正すると、結像面の平均面の中央でのフォーカス
位置にオフセットが生ずることがあるため、そのような
オフセットが生じたときには、ウエハステージ２を駆動
してウエハＷのフォーカス位置をそのオフセット分だけ
補正して、結像面とウエハＷの表面との間にデフォーカ
スが生ずるのを防止している。更に、本例のウエハステ
ージ２にはウエハＷの傾斜角を補正する機構（レベリン
グステージ）も設けられ、主制御装置１８はその焦点位
置検出系の複数の計測点でのフォーカス位置よりウエハ
Ｗの傾斜角を求め、ウエハＷの傾斜角を結像面の傾斜角
に合わせ込むようにしている。

【００２７】更に、本例の投影光学系ＰＬ１の側面に
は、ウエハＷ上の各ショット領域に付設されたアライメ
ント用のウエハマークの位置を検出するためのオフ・ア
クシス方式の撮像方式のアライメントセンサ７０も設け
られている。次に、本例の投影光学系ＰＬ１の構成、及
びレンズ温度制御装置１３等の構成につき、図２等を参
照して詳細に説明する。

【００２８】図２は、本例の投影光学系ＰＬ１の内部構
造、及び結像特性の制御システムを示し、この図２にお
いて、投影光学系ＰＬ１は、一例として鏡筒４内にウエ
ハＷ側から順に６枚のレンズエレメント２５〜３０、４
枚のレンズエレメント３１〜３４、及び４枚のレンズエ
レメント３５Ａ〜３８Ａを固定して構成されている。ま
た、レンズエレメント３６Ａ及び３７Ａのみは蛍石より
形成され、その他のレンズエレメントは石英より形成さ
れている。そして、レンズエレメント３３，３４はレン
ズ枠Ｇ１を介して鏡筒４内に固定され、レンズエレメン
ト３５Ａ〜３８Ａはレンズ枠Ｇ２を介して鏡筒４内に固
定され、他のレンズエレメントもそれぞれ不図示のレン
ズ枠を介して鏡筒４内に固定されている。

【００２９】この場合、レンズエレメント３３，３４及
びレンズ枠Ｇ１で囲まれた気体室は密封されており、そ
の気体室が配管１２ｃを介してベローズ機構１２ｂに接
続され、ベローズ機構１２ｂの伸縮量が制御部１２ａに
よって制御されるようになっている。この制御部１２
ａ、ベローズ機構１２ｂ、及び配管１２ｃより図１のレ
ンズ制御装置１２が構成され、ベローズ機構１２ｂの伸
縮量の調整によってその気体室内の気体（例えば空気）
の圧力が制御できるようになっている。

【００３０】そして、蛍石よりなるレンズエレメント３
６Ａ，３７Ａ及びレンズ枠Ｇ２で囲まれた気体室には、
配管２１を介して温度制御装置１３ｂから、主制御装置
１８に指示された任意の温度の気体が供給され、その気
体室を循環した気体が配管２２を介して温度制御装置１
３ｂに戻される構成となっている。なお、その気体室内
に流す気体が投影光学系ＰＬ１の周囲の大気（空気）と
同じ成分である場合には、必ずしもその気体室を通過し
た気体を配管２２を介して温度制御装置１３ｂに戻す必
要はないが、例えば温度管理の容易な気体（例えば窒素
ガス等）を使用する場合には、閉ループで温度制御を行
うために配管２２を使用する必要がある。

【００３１】更に、レンズエレメント３６Ａ及び３７Ａ
の端部の露光用照明光が通過しない領域に、それぞれサ
ーミスタ等の温度センサ５４Ｂ及び５４Ａが被着され、
温度センサ５４Ａ，５４Ｂの信号端子が温度検出装置５
５に接続され、温度検出装置５５では温度センサ５４
Ａ，５４Ｂの電気特性の変化からレンズエレメント３６
Ａ，３７Ａの平均の温度を求める。求められた温度はレ
ンズ温度制御装置１３ｂ、及び主制御装置１８に供給さ
れ、レンズ温度制御装置１３ｂではレンズエレメント３
６Ａ，３７Ａの検出された温度が目標温度に速く達する
ように、配管２１を介して供給する気体の設定温度を細
かく制御する（詳細後述）。そして、主制御装置１８で
は、レンズエレメント３６Ａ，３７Ａの検出された温度
が目標温度に対して許容範囲内に収まった後に、ウエハ
Ｗに対する露光を開始するようにしている。

【００３２】また、本例では温度制御装置１３ｂによっ
てレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度制御を行うた
め、これらレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度がレ
ンズ枠Ｇ２、鏡筒４、及び気体を媒介として前後の石英
よりなるレンズエレメント３５Ａ，３８Ａに伝導するの
を防止する必要がある。そのため、レンズエレメント３
７Ａ，３８Ａ及びレンズ枠Ｇ２により囲まれた気体室、
及びレンズエレメント３５Ａ，３６Ａ及びレンズ枠Ｇ２
により囲まれた気体室には、それぞれ配管１９及び２０
を介して温度制御装置１３ａから一定温度の気体を流し
ている。この一定温度の気体としては、温度伝導率の低
い気体（空気等）が使用され、それらの気体室を循環し
た気体がそれぞれ配管２３Ａ及び２４Ａを介して温度制
御装置１３ａに戻されている。温度制御装置１３ａ，１
３ｂ、温度センサ５４Ａ，５４Ｂ、温度検出装置５５、
配管１９〜２２，２３Ａ，２４Ａより図１のレンズ温度
制御装置１３が構成されている。

【００３３】また、本例の投影露光装置では、種々のパ
ターンを高い解像度で露光するために、図１の照明光学
系１４による照明条件を通常の状態、変形光源、輪帯照
明、及びコヒーレンスファクタであるσ値が小さい状態
等に切り換えられるようになっている。次に、本例で投
影光学系ＰＬ１の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）、又
は像面湾曲を補正する場合の動作の一例につき説明す
る。なお、以下では図２の投影光学系ＰＬ１内の蛍石よ
りなるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度制御によ
って、非線形倍率誤差、又は像面湾曲の一方を補正する
場合について説明しているが、これは投影光学系ＰＬ１
の使用条件によって、非線形倍率誤差、又は像面湾曲の
一方のみが大きく悪化する場合に対応している。そのた
め、非線形倍率誤差、及び像面湾曲の両方が大きく悪化
するような場合には、例えば１つの手法として、そのレ
ンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度を両方の結像特性
がそれぞれ許容範囲となるような値に設定すればよい。
また、そのような設定温度が存在しない場合には、投影
光学系ＰＬ１内でそれぞれ非線形倍率誤差、及び像面湾
曲の補正に有効なレンズエレメントの温度を互いに独立
に制御すればよい。

【００３４】本例の投影光学系ＰＬ１のレンズエレメン
トの硝材は、石英及び蛍石である。ここで、石英は温度
が上昇しても膨張係数が小さいため殆ど膨張しないが、
屈折率が大きくなる特性を持っている。従って、図６
（ｂ）に示すように、石英の正のレンズ４９Ｂでは温度
が上昇すると、結像面ＦＢがそのレンズに近付く方向に
変位する。一方、蛍石は温度の上昇で膨張し、屈折率は
小さくなる特性を持っている。そのため、図６（ａ）に
示すように、蛍石の正のレンズ４９Ａでは温度が上昇す
ると、結像面ＦＢはそのレンズから遠ざかる方向に変位
する。なお、上述の硝材の屈折率の温度特性は、単にそ
の屈折率自体の温度特性のみならず、その硝材からなる
レンズの熱膨張をも考慮して温度が変化したときに結像
面がどの方向に変化するかによって定められる特性であ
る。また、レンズ間距離を保持している鏡筒の伸縮も考
慮する必要がある。

【００３５】先ず投影光学系ＰＬ１の結像特性の内のデ
ィストーションについて図７及び図８を参照して説明す
る。図７及び図８において、縦軸は像高Ｈ、横軸はその
像高Ｈにおける投影光学系ＰＬ１の倍率βであり、光軸
上（Ｈ＝０）での倍率を設計上の倍率β₀として示して
ある。この場合、或る環境下で、或る時間露光を継続し
て行った後における、投影光学系ＰＬ１の石英からなる
レンズエレメントに依るディストーションは、図７
（ａ）の曲線６１で示すように、像高Ｈが大きくなるに
従って倍率βが一度設計値より小さくなってからほぼ単
調に増大する非線形倍率誤差（高次倍率誤差）となる。

【００３６】これに対して、本例では図１のレンズ温度
制御装置１３を介して、投影光学系ＰＬ１内の蛍石より
なるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度を調整する
ことにより、投影光学系ＰＬ１の蛍石よりなるレンズエ
レメントに依るディストーションを、図７（ａ）の曲線
６１とほぼ逆の特性の非線形倍率誤差を有するように設
定する。しかしながら、そのように蛍石よりなるレンズ
エレメントのディストーションを設定しても、そのディ
ストーションには所定の線形倍率誤差がオフセットとし
て重畳される。従って、投影光学系ＰＬ１の蛍石よりな
るレンズエレメントに依るディストーションは、図７
（ｂ）の曲線６２Ａで示すように、直線６２Ｂで示す線
形倍率誤差に、図７（ａ）の曲線６１とほぼ逆の特性の
非線形倍率誤差を重畳した特性となる。

【００３７】そのため、図１のレンズ制御装置１２で結
像特性の補正を行わない状態では、投影光学系ＰＬ１の
全体としてのディストーションは、図７（ｃ）の直線６
３で示すように、像高Ｈに応じて倍率βが設計値から線
形に増大する線形倍率誤差で近似できる特性となる。そ
こで、図１のレンズ制御装置１２によって、投影光学系
ＰＬ１に対して、図７（ｃ）の直線６３で近似される残
存倍率誤差をほぼ相殺するような、直線６４で表される
線形倍率誤差を付与する。その結果、本例の投影光学系
ＰＬ１のディストーションは、図８の曲線６５に示すよ
うになり、非線形倍率誤差と共に線形倍率誤差も除去さ
れたものとなる。

【００３８】次に、投影光学系ＰＬ１の結像特性の内の
像面湾曲について図９及び図１０を参照して説明する。
図９及び図１０において、横軸は像高Ｈ、縦軸はその像
高Ｈにおける投影光学系ＰＬ１の結像面のフォーカス位
置Ｚ_Fであり、光軸上（Ｈ＝０）でのフォーカス位置を
設計上のフォーカス位置として示してある。この場合、
或る環境下で、或る時間露光を継続して行った後におけ
る、投影光学系ＰＬ１の石英からなるレンズエレメント
に依る結像面は、図９（ａ）の曲線６１Ａで示すよう
に、下に凸の像面湾曲となる。

【００３９】これに対して、本例では図１のレンズ温度
制御装置１３を介して、投影光学系ＰＬ１内の蛍石より
なるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度を調整する
ことにより、投影光学系ＰＬ１の蛍石よりなるレンズエ
レメントに依る像面湾曲を、図９（ａ）の曲線６１Ａと
ほぼ逆の特性の像面湾曲を有するように設定する。しか
しながら、そのように蛍石よりなるレンズエレメントの
像面湾曲を設定しても、その結像面のフォーカス位置に
は像高Ｈの全範囲で一定のオフセットが重畳される。従
って、投影光学系ＰＬ１の蛍石よりなるレンズエレメン
トに依る結像面のフォーカス位置の分布は、図９（ｂ）
の曲線６２Ｃで示すように、所定のオフセットに、図９
（ａ）の曲線６１Ａとほぼ逆の特性の像面湾曲を重畳し
た特性となる。

【００４０】そのため、投影光学系ＰＬ１の全体として
の結像面のフォーカス位置Ｚ_Fは、図９（ｃ）の直線６
３Ａで示すように、像高Ｈの全範囲でほぼ一定の値とな
り、ウエハＷの表面との間でデフォーカスが生ずる。そ
こで、図１のウエハステージ２内のＺ方向への駆動機構
を用いて、投影光学系ＰＬ１に対して、そのデフォーカ
ス分だけウエハＷの表面のフォーカス位置を補正する。
これは、実質的に投影光学系ＰＬ１の結像面に対して、
図９（ｃ）の直線６４Ａで示すようなフォーカス位置の
オフセットを加えることを意味する。その結果、ウエハ
Ｗの表面を基準とした本例の投影光学系ＰＬ１の結像面
のフォーカス位置Ｚ_Fの分布は、図１０の曲線６５Ａに
示すようになり、像面湾曲と共に一定のデフォーカスも
除去されている。従って、結像面の全体で焦点深度の幅
が従来例よりも広くなり、投影像が全体として高い解像
度で投影露光される。

【００４１】更に、蛍石よりなるレンズエレメント３６
Ａ，３７Ａの温度を調整することにより、その結像面の
線形倍率誤差（像高Ｈに比例して倍率が変化する誤差）
が悪化することがある。このような線形倍率誤差が発生
したときには、図１のレンズ制御装置１２を介してその
結像面に対して、発生した線形倍率誤差をほぼ相殺する
ような線形倍率誤差を付与する。その結果、本例の投影
光学系ＰＬ１の結像特性は像面湾曲も、ディストーショ
ンも除去された良好な特性となる。

【００４２】ここで、図１１を参照して投影光学系ＰＬ
１のディストーション、及び像面湾曲の計測方法の一例
につき説明する。そのため、図１のレチクルＲとして、
照明領域内に所定個数の対の（例えば１６対の）評価用
マークが均等に分布するテストレチクルを使用する。こ
の場合、各対の評価用マークは、種々の像高となるマー
クを含むことが望ましい。それら各組の評価用マーク
は、Ｘ方向に所定ピッチで配列されたライン・アンド・
スペースパターンよりなるＸ軸の評価用マーク、及びこ
の評価用マークを９０°回転した構成のＹ軸の評価用マ
ークよりなり、その内のｉ番目（ｉ＝１〜１６）のＹ軸
の評価用マークの投影像ＭＹ（ｉ）を図１１（ａ）に示
す。

【００４３】図１１（ａ）において、投影像ＭＹ（ｉ）
はＹ方向に所定ピッチで明部Ｐ１〜Ｐ５が配列されたパ
ターンであり、図１のウエハステージ２を駆動すること
により、結像特性計測用センサ３の矩形の開口部５０ａ
でその投影像ＭＹ（ｉ）をＹ方向に走査する。その際に
図１１（ｂ）の光電変換素子５２から出力される検出信
号Ｓ１が、信号処理部５３の内部でアナログ／デジタル
（Ａ／Ｄ）変換されて、ウエハステージ２のＹ座標に対
応して記憶される。そして、その検出信号Ｓ１の例えば
微分信号に基づいて、その投影像ＭＹ（ｉ）の中点のＹ
座標、及びコントラストが求められ、その中点のＹ座標
の設計値からのずれよりその像高での倍率誤差が求めら
れ、結像特性計測用センサ３のＺ座標を変えて最もその
コントラストが高くなるときＺ座標を求めることによ
り、その像高での結像面のフォーカス位置が求められ
る。更に、全ての評価用マークの投影像について、それ
ぞれ倍率誤差、及び結像面のフォーカス位置を求めるこ
とにより、ディストーション（非線形倍率誤差を含
む）、及び像面湾曲が求められる。

【００４４】次に、図２における蛍石よりなるレンズエ
レメント３６Ａ，３７Ａの温度（以下、単に「蛍石の温
度」という）の設定値の決定方法の一例につき説明す
る。例えば、投影光学系ＰＬ１の周囲の空気の圧力（大
気圧）をｘとして、大気圧ｘが基準値ｘ₀から変化する
ことによって投影光学系ＰＬ１に非線形倍率誤差が生じ
た場合に、その非線形倍率誤差を相殺するための蛍石の
温度ｙの設定値につき説明する。この場合、大気圧ｘが
基準値ｘ₀から変化することによって生ずる投影光学系
ＰＬ１の非線形倍率誤差を光学計算によって求める。そ
して、このように求めた非線形倍率誤差と、逆の特性の
非線形倍率誤差を発生させるための蛍石の温度ｙを計算
によって求める。

【００４５】図１２の実線の曲線は、そのようにして予
め大気圧ｘの関数Ｆ（ｘ）として求められた温度ｙ（ｙ
＝Ｆ（ｘ））を表し、この図１２において、横軸は大気
圧ｘ、縦軸は蛍石の温度ｙであり、基準大気圧ｘ₀で非
線形倍率誤差を最小とするための蛍石の温度をｙ₀とし
てある。実用上でも、その関数Ｆ（ｘ）に基づいて温度
ｙを設定するようにしてもよい。

【００４６】しかしながら、実際には投影光学系ＰＬ１
の各光学要素の製造誤差等によって、関数Ｆ（ｘ）で求
めた温度ｙでは非線形倍率誤差が十分に小さくならない
ことがある。そこで、非線形倍率誤差をより小さくする
ためには、次のようにして関数Ｆ（ｘ）のキャリブレー
ションを行うことが望ましい。即ち、実際に良く当ては
まる関数を求めるために、基準大気圧ｘ₀と異なる任意
の１点の大気圧ｘ₁において、図１の結像特性計測用セ
ンサ３を用いて投影光学系ＰＬ１の投影像の非線形倍率
誤差を求める。次に、レンズ温度制御装置１３を介して
蛍石の温度を制御して、その投影像の非線形倍率誤差が
０（最小）になるときの温度ｙ₁を求める。この際に、
蛍石の温度は、理論的な関数Ｆ（ｘ）で定められる温度
ｙの近傍で変化させるようにする。

【００４７】また、その大気圧ｘ₁と異なる他の大気圧
ｘ₂においても、同様にして実際に投影像の非線形倍率
誤差を０にするための蛍石の温度ｙ₂、及び残存する線
形倍率誤差を０にするためのその気体室の圧力を求め
る。そして、大気圧がｘ₀，ｘ ₁，ｘ₂の点での蛍石の
実測された温度より、図１２に点線で示すように、例え
ば２次関数として、大気圧ｘに対する蛍石の温度ｙを表
す関数Ｆ’（ｘ）を求めることができる。同様にして、
大気圧ｘが変化した場合に、投影光学系ＰＬ１による投
影像の像面湾曲を最小とするための蛍石の温度ｙを表す
関数も求められる。更に、大気圧ｘに対して、投影像の
非線形倍率誤差、及び像面湾曲をそれぞれ許容範囲内に
収めるための蛍石の温度ｙを表す関数も（存在する場合
には）求めることができる。

【００４８】上述の例では、大気圧が変化した際の結像
特性の補正について説明したが、それ以外にも、露光用
の照明光が投影光学系を通過する際の照射エネルギーに
よっても結像特性が変化する。更に、図１の照明光学系
１４の照明条件を通常の状態、輪帯照明、所謂変形光源
法、又はコヒーレンスファクタであるσ値が小さい状態
等の間で切り換えた場合にも結像特性が変化する。そこ
で、最終的には例えば照射エネルギーｅ、大気圧ｘ、照
明条件Ｉをパラメータとした関数Ｑ（ｅ，ｘ，Ｉ）によ
って、非線形倍率誤差、及び像面湾曲をそれぞれ許容範
囲内にするための蛍石の温度ｙを求めておく必要があ
る。その関数Ｑ（ｅ，ｘ，Ｉ）を図１の主制御装置１８
内の記憶部に記憶しておき、主制御装置１８では露光時
の照射エネルギーｅ、大気圧ｘ、照明条件Ｉに応じて、
その関数Ｑ（ｅ，ｘ，Ｉ）より蛍石の目標温度を求める
ことが望ましい。

【００４９】次に、実際に蛍石の温度をその目標温度に
設定する方法の一例につき図１３〜図１５を参照して説
明する。先ず、図１３（ａ）は時間ｔの経過に伴う蛍石
の温度等の変化を示し、この図１３（ａ）において、点
線の曲線５９は図２のレンズ温度制御装置１３ｂから蛍
石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの間の気体
室に供給される気体の設定温度Ｔ_ij、実線の曲線５８は
そのレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度センサ５４
Ａ，５４Ｂによって計測される温度（蛍石の温度）ＴＦ
を示す。また、図１３（ａ）において、最初の時点ｔ₀
での蛍石の目標温度はＴ₁であり、予め定められた許容
幅ΔＴを用いて、時点ｔ₀では蛍石の温度ＴＦは目標温
度Ｔ₁に対して許容範囲（±ΔＴ）内に収まっている。
この場合、図２の主制御装置１８内のメモリの共通作業
領域６０（図１５参照）に、蛍石の目標温度Ｔ_i、及び
許容幅ΔＴ等が書き込まれ、各種の制御部が独立にその
共通作業領域６０内のデータを参照できるようになって
いる。

【００５０】その後の時点ｔ₁において、図１４のステ
ップ１０１で示すように、本例の投影光学系の使用条件
に応じて、図２の主制御装置１８内の温度制御部によっ
て蛍石の目標温度Ｔ_iがＴ₂(＞Ｔ₁)に変更されたものと
する。その目標温度Ｔ₂は、図１５の共通作業領域６０
内に書き込まれると共に、図２の温度制御装置１３ｂに
伝達される。

【００５１】その後、ステップ１０２において、図２の
温度制御装置１３ｂは、レンズエレメント３６Ａ，３７
Ａの間に供給される気体（本例での温度制御媒体）の温
度（以下、「制御温度」と呼ぶ）Ｔ_ijを、図１３（ａ）
に点線の曲線５９で示すように、所定の時間ステップで
元の目標温度Ｔ₁から次第に次の目標温度Ｔ₂に変化さ
せる。また、温度制御装置１３ｂには、蛍石の温度ＴＦ
も供給されており、温度制御装置１３ｂではサーボ方式
でその蛍石の温度ＴＦが目標値Ｔ₂に合致するように、
その温度制御媒体の制御温度Ｔ_ijを連続的に調整する。
従って、実際にはそのステップ１０２の動作は、露光動
作中に継続して実行されている。この場合、図２の蛍石
よりなるレンズエレメント３６Ａ，３６Ａの温度変化に
は所定の時定数があるため、その蛍石の温度ＴＦは、実
線の曲線５８で示すように制御温度Ｔ_ijに遅れて変化す
る。

【００５２】そのため、図１４のステップ１０３で、主
制御装置１８内の温度制御部は図２の温度センサ５４
Ａ，５４Ｂ、及び温度検出装置５５を介して蛍石の実際
の温度ＴＦを計測し、図１５に示す主制御装置１８内の
メモリ内の共通作業領域６０から目標温度Ｔ_i(ここで
は、Ｔ_i=Ｔ₂)、及び許容幅ΔＴを読み出す。それに続く
ステップ１０４で、その温度制御部は、その蛍石の温度
ＴＦが次のように目標温度に対する許容範囲内に収まっ
たかどうかを判定する。

【００５３】｜ＴＦ−Ｔ_i｜≦ΔＴそして、その蛍石の温度ＴＦがその許容範囲内に収まっ
たときには、ステップ１０６に移行して、その温度制御
部は、その共通作業領域６０内の温度可変終了フラッグ
（初期値はハイレベル”１”）の値をローレベル”０”
に設定する。その後、再びステップ１０３に戻って蛍石
の温度ＴＦのサンプリングが行われる。一方、ステップ
１０４でその蛍石の温度ＴＦがその許容範囲内に収まっ
ていないときには、ステップ１０５に移行して、主制御
装置１８内の温度制御部は、その温度可変終了フラッグ
の値をハイレベル”１”に設定した後、ステップ１０３
に移行する。この結果、図１３（ａ）の例では、時点ｔ
₂において、蛍石の温度ＴＦが目標温度Ｔ₂に対する許
容範囲内に入って、図１５の温度可変終了フラッグがロ
ーレベル”０”に設定される。

【００５４】また、図１４のステップ１０１〜１０６の
動作と並列に、ステップ１１１〜１１６で示すように、
主制御装置１８内の露光制御部による露光動作が行われ
ている。即ち、ステップ１１１において、ウエハの交換
や新しいウエハのアライメント等が実行された後、ステ
ップ１１２において、主制御装置１８内の露光制御部は
内部のタイマの計時を開始させる。その後、ステップ１
１３において、その露光制御部は図１５の共通作業領域
６０内の温度可変終了フラッグがローレベル”０”（即
ち、蛍石の温度が目標値に対する許容範囲内に入った）
かどうかを調べ、その温度可変終了フラッグがローレベ
ル”０”であるときには、ステップ１１４に移行して露
光を行った後、再びステップ１１１に戻る。

【００５５】一方、ステップ１１３でその温度可変終了
フラッグがハイレベル”１”であるときには、ステップ
１１５において、主制御装置１８内の露光制御部は、先
に設定したタイマの時間が所定の許容時間を超えてタイ
ムアウトしたかどうかを調べ、まだタイムアウトしてい
ないときには再びステップ１１３に戻って温度可変終了
フラッグの値を調べる。そして、ステップ１１５でタイ
ムアウトが発生したときには、その露光制御部はステッ
プ１１６に移行して、オペレータに蛍石の温度が目標値
に達しないとのアラーム情報を発する等のエラー処理を
行う。

【００５６】上述のように本例によれば、主制御装置１
８内のメモリ内の共通作業領域６０のデータを介して、
主制御装置１８内の温度制御部と露光制御部とが並列に
動作することにより、投影光学系ＰＬ１内の蛍石よりな
るレンズエレメントの温度の目標値への設定、及びその
温度が目標値の許容範囲内に収まった後の露光が円滑に
実行されている。

【００５７】また、投影光学系ＰＬ１のモデルについて
実際に数値解析した結果、蛍石よりなる１枚のレンズエ
レメントの温度を±１℃変化させることで、最大でほぼ
±２０ｎｍ程度の非線形倍率誤差の補正が可能となるこ
とが分かった。そして、その蛍石よりなるレンズエレメ
ントの温度制御の分解能としては、０．０１℃程度は可
能であるため、蛍石よりなるレンズエレメントの温度を
１℃程度変化させて非線形倍率誤差を補正する場合、そ
の非線形倍率誤差の補正の分解能はほぼ±０．２ｎｍ
（＝±２０／１００［ｎｍ］）となる。

【００５８】同様に、蛍石よりなる１枚のレンズエレメ
ントの温度を±１℃変化させることで、約±０．２μｍ
程度の像面湾曲の補正が可能となることが分かった。更
に、そのレンズエレメントの温度制御の分解能としては
０．０１℃程度は可能であるため、蛍石よりなるレンズ
エレメントの温度を１℃程度変化させて像面湾曲を補正
する場合、その像面湾曲の補正の分解能はほぼ±２ｎｍ
（＝±０．２／１００［μｍ］）となる。従って、実際
に必要な非線形倍率誤差、及び像面湾曲の精度によって
上述の蛍石の温度の許容幅ΔＴ（図１３（ａ）参照）を
設定すればよい。

【００５９】なお、図１３（ａ）の例では温度制御媒体
（気体）の制御温度Ｔ_ijを単調に元の目標温度Ｔ₁から
次の目標温度Ｔ₂に変化させているが、より速く蛍石の
温度ＴＦを次の目標温度Ｔ₂に近づけるためには、図１
３（ｂ）の点線５９Ａで示すように、その温度制御媒体
の制御温度Ｔ_ijを次の目標温度Ｔ₂に対して一度オーバ
ーシュートさせればよい。これによって、実線の曲線５
８Ａで示すように、蛍石の温度ＴＦは図１３（ａ）の場
合より早い時点ｔ₃において許容範囲内に達し、露光工
程のスループット（単位時間当たりのウエハの処理枚
数）を向上できる。

【００６０】逆に、元の目標温度に対して次の目標温度
の方が低いときには、逆に制御温度を次の目標温度に対
して一度アンダーシュートさせればよい。更に、上述の
例では実際に蛍石の温度ＴＦを計測しているが、例えば
図１３（ａ）において、蛍石の温度ＴＦが元の目標温度
Ｔ₁から次の目標温度Ｔ₂の許容範囲内に達するまでの
経過時間（ｔ₂−ｔ₁)は、実験的に予め温度の制御幅
（Ｔ ₂−Ｔ₁)の関数として求めておくことができる。そ
こで、その温度の制御幅（Ｔ ₂−Ｔ₁)の関数を図２の主
制御装置１８内のメモリに記憶しておき、主制御装置１
８の温度制御部では、温度の目標値を変更した際には、
その関数で定まる時間及び所定のオフセット時間を経過
した後に、蛍石の温度が変更後の目標値に対して許容範
囲内に収まったものと判定するようにしてもよい。この
方法によれば、その所定のオフセット時間だけ露光工程
に要する時間が長くなるが、温度センサ等を省略できる
ため、装置構成が簡略化できる。

【００６１】なお、本例では露光用光源としてエキシマ
レーザ光源が使用されているが、露光用照明光の照射エ
ネルギーに関しては、水銀ランプのｉ線（波長：３６５
ｎｍ）の方がエキシマレーザ光に比べて投影光学系での
吸収が大きく、投影光学系の非線形倍率誤差や像面湾曲
も大きく変化する。従って、照射エネルギーに応じて蛍
石よりなるレンズエレメントの温度を制御する方法は、
むしろ水銀ランプのｉ線等を使用した投影露光装置（ス
テッパー等）に適用することによって、非線形倍率誤差
や像面湾曲を良好に低減できるという大きな利点があ
る。

【００６２】次に、本発明の第２の実施の形態につき図
３を参照して説明する。図３において図２に対応する部
分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。本例
の投影光学系は、特にステップ・アンド・スキャン方式
の投影露光装置に使用して好適な光学系である。図３
は、本例の投影光学系ＰＬ２を示し、この図３におい
て、投影光学系ＰＬ２は、鏡筒４内にウエハＷ側から順
に６枚のレンズエレメント２５〜３０、４枚のレンズエ
レメント３１〜３４、及び４枚のレンズエレメント３５
Ｂ〜３８Ｂを固定して構成されている。また、レンズエ
レメント３５Ｂ〜３７Ｂはレンズ枠Ｇ３を介して鏡筒４
内に固定され、レンズエレメント３８Ｂも不図示のレン
ズ枠を介して鏡筒４内に固定されている。

【００６３】この場合、レンズエレメント３６Ｂのみは
蛍石より形成され、その他のレンズエレメントは石英よ
り形成されている。そして、レンズエレメント３６Ｂの
走査方向であるＹ方向の一方の端部の両面に１対の温度
制御素子４０Ａ，４０Ｂが固定され、そのＹ方向の他方
の端部の両面にも１対の温度制御素子４０Ｃ，４０Ｄが
固定されている。この場合、照明光学系によるレチクル
Ｒのパターン形成面上でのスリット状の照明領域のＹ方
向の幅をＬとすると、その幅Ｌの照明領域を通過した照
明光が通過しない領域にそれらの温度制御素子４０Ａ〜
４０Ｄが固定してある。

【００６４】それらの温度制御素子４０Ａ〜４０Ｄとし
ては、ヒータ、又はペルチェ素子等が使用できる。その
ペルチェ素子は加熱用に使用してもよく、吸熱用に使用
してもよい。また、レンズエレメント３６ＢのＹ方向の
端部に温度センサ５４Ａ，５４Ｂが固定され、この温度
センサ５４Ａ，５４Ｂが温度検出装置５５に接続され、
温度検出装置５５で検出されるレンズエレメント３６Ｂ
の温度が温度制御装置３９に供給され、温度制御装置３
９は、検出された温度が主制御装置１８に指示された設
定温度になるように、温度制御素子４０Ａ〜４０Ｄの加
熱、又は吸熱動作を制御する。従って、本例では温度制
御素子４０Ａ〜４０Ｄが温度制御媒体となる。

【００６５】更に本例ではそのようにレンズエレメント
３６Ｂの温度を制御することによって発生する熱の、近
接するレンズエレメントへの影響を防止するための排熱
機構が設けられている。即ち、レンズエレメント３６
Ｂ，３７Ｂ及びレンズ枠Ｇ３で囲まれた気体室には、配
管１９を介して温度制御装置１３ａから、所定温度の気
体が供給され、その気体室を循環した気体が配管２３Ｂ
を介して温度制御装置１３ａに戻され、レンズエレメン
ト３５Ｂ，３６Ｂ及びレンズ枠Ｇ３で囲まれた気体室に
は、配管２０を介して温度制御装置１３ａから、所定温
度の気体が供給され、その気体室を循環した気体が配管
２４Ｂを介して温度制御装置１３ａに戻される構成とな
っている。そして、主制御装置１８からの指令に基づい
て温度制御装置１３ａは、強制空調によって、レンズエ
レメント３６Ｂの前後のレンズエレメント３５Ｂ，３７
Ｂの温度を一定に保つようにしている。それ以外の構成
は図２の例と同様である。

【００６６】以上のように、本例によれば、スリット状
の照明領域を通過した照明光に照射されない空間を有効
に活用して、温度制御素子４０Ａ〜４０Ｄを用いて蛍石
からなるレンズエレメント３６Ｂの温度を直接制御して
いるため、そのレンズエレメント３６Ｂの温度を高速且
つ高精度に所望の目標温度に設定できる利点がある。こ
れによって、投影光学系ＰＬ２の投影像の非線形倍率誤
差や像面湾曲を迅速に、且つ高い精度で小さくできる。

【００６７】次に、本発明の第３の実施の形態につき図
４を参照して説明する。図４において図２に対応する部
分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。本例
の投影光学系は、ステップ・アンド・リピート方式、及
びステップ・アンド・スキャン方式の何れの投影露光装
置に適用しても好適な光学系である。図４は、本例の投
影光学系ＰＬ３を示し、この図４において、投影光学系
ＰＬ３は、鏡筒４内にウエハＷ側から順に６枚のレンズ
エレメント２５〜３０、４枚のレンズエレメント３１，
３２，３３Ａ，３４Ａ、及び４枚のレンズエレメント３
５Ｃ〜３８Ｃを固定して構成されている。また、レンズ
エレメント３３Ａ，３４Ａはレンズ枠Ｇ４を介して鏡筒
４内に固定され、レンズエレメント３５Ｃ，３６Ｃはレ
ンズ枠Ｇ５を介して鏡筒４内に固定され、他のレンズエ
レメントも不図示のレンズ枠を介して固定されている。

【００６８】この場合、レンズエレメント３３Ａ、及び
３６Ｃのみは蛍石より形成され、その他のレンズエレメ
ントは石英より形成されている。この場合、上側の蛍石
のレンズエレメント３６Ｃの温度変化によって主に非線
形倍率誤差の特性が変化し、下側の蛍石のレンズエレメ
ント３３Ａの温度変化によって主に線形倍率誤差の特性
が変化するようになっている。また、レンズエレメント
３５Ｃ，３６Ｃ及びレンズ枠Ｇ５で囲まれた気体室に
は、配管４１Ａを介して温度制御装置１３ｃから可変温
度の気体が供給され、その気体室を循環した気体が配管
４１Ｂを介して温度制御装置１３ｃに戻され、レンズエ
レメント３３Ａ，３４Ａ及びレンズ枠Ｇ４で囲まれた気
体室には、配管４２Ａを介して温度制御装置１３ｄか
ら、可変温度の温度の気体が供給され、その気体室を循
環した気体が配管４２Ｂを介して温度制御装置１３ｄに
戻される構成となっている。

【００６９】更に、レンズエレメント３６Ｃ及び３５Ｃ
の対向する端部の露光用照明光が通過しない領域に、そ
れぞれ温度センサ５４Ａ及び５４Ｂが被着され、温度セ
ンサ５４Ａ，５４Ｂが温度検出装置５５に接続され、温
度検出装置５５で求められたレンズエレメント３６Ｃ，
３５Ｃの温度がレンズ温度制御装置１３ｃ、及び主制御
装置１８に供給されている。同様に、レンズエレメント
３３Ａ及び３４Ａの対向する端部の露光用照明光が通過
しない領域に、それぞれ温度センサ５６Ａ及び５６Ｂが
被着され、温度センサ５６Ａ，５６Ｂが温度検出装置５
７に接続され、温度検出装置５７で求められたレンズエ
レメント３３Ａ，３４Ａ温度がレンズ温度制御装置１３
ｄ、及び主制御装置１８に供給されている。主制御装置
１８からの指令に基づいて、温度制御装置１３ｃ及び１
３ｄはそれぞれ、レンズエレメント３６Ｃ及び３３Ａの
温度を目標温度に設定するようにしている。

【００７０】そして、本例では投影光学系ＰＬ３の投影
像の結像特性（非線形倍率誤差や像面湾曲）を補正する
ときには、温度制御装置１３ｃを介してレンズエレメン
ト３６Ｃの温度を制御し、その際発生する線形倍率誤差
を、温度制御装置１３ｄを介してレンズエレメント３３
Ａの温度を制御することで相殺する方法を採っている。
更にこの方法は、大気圧による結像特性の変化と、露光
用の照明光の投影光学系に対する照射時の温度変化によ
る結像特性とが異なり、３次以上の倍率誤差又はデフォ
ーカスが大きく残る場合等に、それぞれに対応する２箇
所の蛍石よりなるレンズエレメントで独立に結像特性制
御を行う場合にも利用できる。即ち、例えば上側の蛍石
よりなるレンズエレメント３６Ｃで大気圧による非線形
倍率誤差又は像面湾曲を補正し、それより下側の蛍石よ
りなるレンズエレメントで照明光の照射による非線形倍
率誤差又は像面湾曲を補正するようにしてもよい。

【００７１】次に、本発明の第４の実施の形態につき図
５を参照して説明する。図５において図２に対応する部
分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。本例
の投影光学系は、ステップ・アンド・リピート方式、及
びステップ・アンド・スキャン方式の何れの投影露光装
置に使用しても好適な光学系である。図５は、本例の投
影光学系ＰＬ４を示し、この図５において、投影光学系
ＰＬ４は、鏡筒４Ａ内にウエハＷ側から順に６枚のレン
ズエレメント２５，２６，２７Ａ，２８Ａ，２９Ａ，３
０、４枚のレンズエレメント３１，３２，３３Ｂ，３４
Ｂ、及び２枚のレンズエレメント３５Ｄ，３６Ｄを固定
し、その鏡筒４Ａの上にレンズエレメント３７Ｄを保持
する支持台４５、及びレンズエレメント３８Ｄを保持す
る支持台４６を固定して構成されている。また、レンズ
エレメント２８Ａ，２９Ａはレンズ枠Ｇ６を介して鏡筒
４Ａ内に固定され、他のレンズエレメントも不図示のレ
ンズ枠を介して鏡筒４Ａ内に固定されている。

【００７２】本例では、レンズエレメント２８Ａ、及び
２９Ａのみは蛍石より形成され、その他のレンズエレメ
ントは石英より形成されている。また、レンズエレメン
ト２８Ａ，２９Ａ及びレンズ枠Ｇ６で囲まれた気体室に
は、配管４３を介して温度制御装置１３ｅから可変温度
の気体が供給され、その気体室を循環した気体が配管４
４を介して温度制御装置１３ｅに戻されている。また、
レンズエレメント２８Ａ及び２９Ａの対向する端部の露
光用照明光が通過しない領域に、それぞれ温度センサ５
４Ｂ及び５４Ａが被着され、温度センサ５４Ｂ，５４Ａ
が温度検出装置５５に接続され、温度検出装置５５で求
められたレンズエレメント２８Ａ，２９Ａの温度がレン
ズ温度制御装置１３ｅ、及び主制御装置１８に供給され
ている。

【００７３】そして、主制御装置１８からの指令に基づ
いて、温度制御装置１３ｅは、レンズエレメント２８
Ａ，２９Ａの温度を目標温度に設定するようにしてい
る。また、支持台４５及び４６は互いに独立に駆動装置
４７によって、投影光学系ＰＬ４の光軸ＡＸに平行な方
向への移動、及び所望の角度の傾斜ができるように構成
されている。駆動装置４７の動作は、主制御装置１８か
らの指令に基づいて結像特性制御装置４８が制御する。

【００７４】本例でも、蛍石よりなるレンズエレメント
２８Ａ，２９Ａの温度を温度制御装置１３ｅを介して制
御することによって、投影光学系ＰＬ４の投影像の非線
形倍率誤差や像面湾曲を補正するが、その際発生する線
形倍率誤差を支持台４５，４６を介してレンズエレメン
ト３７Ｄ，３８Ｄを傾斜、又は上下動させることによっ
て補正する。それら２つの支持台４５，４６の動きの組
み合わせによって、倍率誤差のみでなく、焦点位置のデ
フォーカス、及び台形歪み状のディストーション等も補
正できるので、非線形倍率誤差、又は像面湾曲の補正時
に発生する他の収差の大半は温度制御装置１３ｅ、及び
駆動装置４７の制御を最適化することで相殺することが
できる。

【００７５】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得ることは勿論である。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、所定の光学部材の温度
を制御しているため、大気圧等の環境変化、露光用の照
明光の吸収、又は照明条件の変化等で悪化する投影光学
系の結像特性（特に非線形倍率誤差や像面湾曲等の非線
形誤差）を補正できるという利点がある。また、制御対
象の光学部材の温度が目標温度に対して所定の許容範囲
内に収まった後に露光動作を開始するようにしているた
め、露光動作中は投影光学系の結像特性は所望の状態に
設定され、感光基板上に投影される投影像の結像特性が
常に良好に維持される利点がある。

【００７７】そして、例えば非線形倍率誤差の補正によ
って投影像の重ね合わせ精度が向上でき、像面湾曲の補
正によって投影像全体としての焦点深度の幅を広くでき
る利点がある。また、補正対象の結像特性が例えば非線
形倍率誤差（高次倍率誤差）、及び像面湾曲であるとし
て、使用する投影光学系によって非線形倍率誤差、又は
像面湾曲の一方の誤差が大きい場合には、その誤差が大
きい方の結像特性の補正に有効な光学部材（レンズエレ
メント）の温度を制御すればよい。また、非線形倍率誤
差と像面湾曲とが同時に発生する投影光学系に対して
は、それぞれ別の光学部材の温度を独立に制御して、非
線形倍率誤差と像面湾曲とを独立に補正してもよいが、
それら両方の結像特性の補正に有効な同一の光学部材の
温度を制御することによって、非線形倍率誤差と像面湾
曲とを同時に補正することも可能である。

【００７８】次に、温度制御手段による制御対象の光学
部材の温度を計測する温度センサを設け、露光制御手段
が、その温度センサの計測値と目標温度とを比較して露
光動作を開始するか否かを判定する場合には、その制御
対象の光学部材の温度の実測値に基づいて迅速に露光動
作を開始できると共に、露光動作中は常に結像特性が所
望の状態に設定されている。

【００７９】一方、その温度制御手段による制御対象の
光学部材の温度が所定の温度に達するまでの時間を記憶
する記憶手段を設け、露光制御手段が、その記憶手段に
記憶されている時間に応じた時間が経過した後に感光基
板への露光動作を開始するときには、温度センサ等が不
要であるため簡単な機構によって、露光動作の開始のタ
イミングを決定できる利点がある。

【００８０】また、その温度制御手段によって制御対象
とする光学部材の温度を目標温度に設定する際に、その
温度制御手段による中間的な設定温度（制御温度）をそ
の目標温度に対してオーバーシュート又はアンダーシュ
ートさせるときには、その光学部材の温度をより早くそ
の目標温度に設定できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の第１の実施の形態
を示す構成図である。

【図２】第１の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図３】第２の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図４】第３の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図５】第４の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図６】温度変化に対して互いに異なる特性を有する２
つの硝材のレンズを示す光路図である。

【図７】（ａ）は石英からなるレンズエレメントに依る
非線形倍率誤差を示す図、（ｂ）は温度制御された蛍石
からなるレンズエレメントに依る倍率誤差を示す図、
（ｃ）は残存する線形倍率誤差を示す図である。

【図８】石英からなるレンズエレメント、温度制御され
た蛍石からなるレンズエレメント、及びレンズ制御装置
を組み合わせて得られる倍率誤差を示す図である。

【図９】（ａ）は石英からなるレンズエレメントに依る
像面湾曲を示す図、（ｂ）は温度制御された蛍石からな
るレンズエレメントに依る像面湾曲を示す図、（ｃ）は
残存するデフォーカス量を示す図である。

【図１０】石英からなるレンズエレメント、温度制御さ
れた蛍石からなるレンズエレメント、及びフォーカス位
置の制御機構を組み合わせて得られるフォーカス位置の
分布を示す図である。

【図１１】（ａ）は結像特性計測用センサ３の開口部及
び評価用マークの投影像を示す平面図、（ｂ）は結像特
性計測用センサ３の構成を示す一部を断面とした構成図
である。

【図１２】大気圧と蛍石よりなるレンズエレメントの温
度との関係を示す図である。

【図１３】（ａ）は温度制御媒体の制御温度Ｔ_ijと蛍石
の温度ＴＦとの関係を示す図、（ｂ）は温度制御媒体の
制御温度Ｔ_ijをオーバーシュートさせた場合の説明図で
ある。

【図１４】本発明の実施の形態における蛍石よりなるレ
ンズエレメントの温度制御シーケンスと、露光シーケン
スとの関係を示すフローチャートである。

【図１５】図２の主制御装置１８内のメモリの共通作業
領域内のデータを示す図である。

【図１６】（ａ）は一括露光を行った場合の非線形倍率
誤差の影響を示す図、（ｂ）は走査露光を行った場合の
非線形倍率誤差の影響を示す図である。

【図１７】（ａ）は一括露光を行った場合の像面湾曲の
影響を示す図、（ｂ）は走査露光を行った場合の像面湾
曲の影響を示す図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３，ＰＬ４投影光学系Ｗウエハ２ウエハステージ３結像特性計測用センサ４鏡筒Ｇ１，Ｇ２レンズ枠６レチクルステージ８，１０レーザ干渉計１２レンズ制御装置１３レンズ温度制御装置１３ａ，１３ｂ温度制御装置１４照明光学系１８主制御装置２５〜３４，３５Ａ，３８Ａ石英よりなるレンズエレ
メント３６Ａ，３７Ａ蛍石よりなるレンズエレメント３６Ｂ蛍石よりなるレンズエレメント３３Ａ，３６Ｃ蛍石よりなるレンズエレメント２８Ａ，２９Ａ蛍石よりなるレンズエレメント４０Ａ〜４０Ｄ温度制御素子５４Ａ，５４Ｂ，５６Ａ，５６Ｂ温度センサ５５，５７温度検出装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクパターンを投影光学系を介して感
光基板上に投影する投影露光装置において、前記投影光学系は、互いに屈折率に関する温度特性の異
なる硝材よりなる複数組の光学部材を有し、前記複数組の光学部材中の少なくとも１つの光学部材の
温度を、前記投影光学系の結像特性に応じて定まる可変
の目標温度に設定する温度制御手段と、該温度制御手段による制御対象の光学部材の温度が前記
目標温度に対して所定の許容範囲内に収まった後に前記
感光基板への露光動作を開始する露光制御手段と、を設
けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】請求項１記載の投影露光装置であって、前記温度制御手段による制御対象の光学部材の温度を計
測する温度センサを設け、前記露光制御手段は、前記温
度センサの計測値と前記目標温度とを比較して露光動作
を開始するか否かを判定することを特徴とする投影露光
装置。
【請求項３】請求項１記載の投影露光装置であって、前記温度制御手段による制御対象の光学部材の温度が所
定の温度に達するまでの時間を記憶する記憶手段を設
け、前記露光制御手段は、前記記憶手段に記憶されている時
間に応じた時間が経過した後に前記感光基板への露光動
作を開始することを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】請求項１、２、又は３記載の投影露光装
置であって、前記温度制御手段によって制御対象とする光学部材の温
度を前記目標温度に設定する際に、前記温度制御手段に
よる中間的な設定温度を前記目標温度に対してオーバー
シュート又はアンダーシュートさせることを特徴とする
投影露光装置。